FR2973179A1

FR2973179A1 - Machine electrique a ondulation de couple reduite

Info

Publication number: FR2973179A1
Application number: FR1152327A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Gay
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-28
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: FR2973179B1

Abstract

Machine électrique à réluctance synchrone (1) comportant un stator bobiné (2) comportant une pluralité de dents (4), et un rotor (3) à aimants permanents dans lequel des aimants permanents (6) sont arrangés en plusieurs couches (5) en forme de courbes approximées constituées d'une succession d'aimants individuels rectilignes (6). L'arrangement desdites couches (5) étant décalé par rapport à la succession des dents (4) du stator (2) de façon à désynchroniser les impulsions de couple de crantage (C) résultant du passage des aimants (6) en face des dents (4) du stator (2) lors de la rotation du rotor (3) par rapport au stator (2). L'invention trouve application à la réalisation d'un moteur d'un véhicule automobile à moteur de traction électrique.

Description

B 11-0072FR 1 Machine électrique à ondulation de couple réduite La présente invention concerne le domaine des machines électriques et, notamment, les machines électriques à réluctance synchrone comportant un rotor à aimants permanents intégrés. Une application particulièrement intéressante de l'invention concerne la réalisation d'un moteur électrique à reluctance synchrone pour véhicule automobile à traction électrique.

Généralement, une machine électrique comprend un stator et un rotor monté à rotation dans le stator, agencés concentriquement par rapport à l'axe longitudinal de la machine. Le rotor contenant des aimants permanents est mis en mouvement par un ensemble d'électroaimants ou d'enroulements placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chacun des électroaimants du stator définit une position angulaire différente permettant la mise en mouvement du rotor. Il est connu que le rotor d'une machine électrique comprend au moins une paire de pôles magnétiques Nord/Sud et comporte, sur chaque pôle magnétique, un aimant permanent agencé en arc de cercle incurvé vers l'extérieur du noyau du rotor et incorporé à l'intérieur du noyau de rotor constitué par un matériau à haute perméabilité magnétique tel qu'un noyau de fer ou des feuilles d'acier. Une telle machine électrique permet de générer un couple réluctant de sorte que le couple de sortie de la machine est accru. Afin d'accroitre davantage le couple de sortie et la puissance de sortie de la machine électrique, il est connu de déposer deux couches d'aimant en arc de cercle sur chacun des pôles du rotor. On peut à cet égard se référer au document EP746079.

Toutefois, les machines électriques comprenant un rotor à aimants permanents intégrés présentent souvent des ondulations de couple, appelées également « couple de crantage », venant perturber le couple de sortie de la machine électrique. En effet, l'ondulation de couple est générée par l'attraction mutuelle entre un pôle du rotor et un pôle du stator, notamment entre les aimants du rotor et les dents du stator. A chaque fois que les extrémités des aimants passent en face d'une dent du stator, lors de la rotation du rotor par rapport au stator, le champ magnétique fuit vers le stator, générant au passage une impulsion de couple de crantage qui tend à aligner l'extrémité de l'aimant avec la dent. Dans les solutions actuelles, le nombre d'aimants par pôle est couplé au nombre de dents du stator, de sorte que le nombre d'extrémités de l'aimant du rotor est égal au nombre de dents du stator. Les impulsions de couple de crantage sont donc synchronisées et s'additionnent pour générer une ondulation totale de couple importante. La machine électrique délivre ainsi un couple de sortie fortement ondulé, ce qui génère des vibrations ainsi que des nuisances sonores dans la machine électrique, ainsi que dans les équipements alimentés par la machine électrique, tel que par un exemple un véhicule automobile. Un objectif de l'invention est donc de pallier ces inconvénients et de fournir une machine électrique permettant de réguler les ondulations de couple, en désynchronisant les impulsions de couple de crantage, tout en permettant une concentration optimale du champ magnétique et de régler la forme de la force électromotrice dans l'entrefer. Selon un mode de réalisation, l'invention a pour objet une machine électrique à réluctance synchrone comportant un stator bobiné comportant une pluralité de dents, et un rotor à aimants permanents dans lequel les aimants permanents sont arrangés en plusieurs couches en forme de courbes approximées constituées d'une succession d'aimants individuels rectilignes.

L'arrangement desdites couches est décalé par rapport à la succession des dents du stator de façon à désynchroniser les impulsions de couple de crantage résultant du passage des aimants en face des dents du stator lors de la rotation du rotor par rapport au stator. Ainsi, les impulsions de couple de crantage ne sont plus synchronisées, de sorte que les ondulations du couple ne s'additionnent plus et le couple de sortie de la machine électrique ne subi pas de fortes ondulations. De plus, les aimants étant agencés en plusieurs couches en forme de courbe approximée le long de la périphérie du rotor, et constituées d'une succession d'aimants individuels rectilignes de mêmes dimensions, permettant, d'une part, de régler davantage la forme de la force électromotrice dans l'entrefer, et d'autre part, de réduire les pertes dues aux courants de Foucault par la segmentation de la courbe, ainsi que de réduire les coûts de fabrication du moteur par l'utilisation d'une seule référence d'aimants.

Avantageusement, un premier nombre de couches d'aimants est découplé d'un deuxième nombre de dents du stator, de manière à réguler les ondulations de couple. En effet, les impulsions de couple de crantage étant déphasées, l'ondulation totale est fortement réduite. Par exemple, le premier nombre est fonction de la moitié du deuxième nombre. Selon un mode de réalisation, un premier nombre de couches d'aimants est couplé à un deuxième nombre de dents du stator. Avantageusement, les couches d'aimants sont décalées d'un angle de décalage fonction de l'angle nominal entre deux extrémités de couche, du premier nombre de couches d'aimants, et d'un multiple aléatoire compris entre zéro et le premier nombre moins une unité. Les deux extrémités d'une couche d'aimants peuvent être décalées d'un angle de décalage différent. Par exemple, l'angle de décalage est fonction d'un troisième nombre d'extrémités de couches d'aimants. Les extrémités de chaque couche d'aimants peuvent être décalées de l'angle de décalage.

Le rotor peut comprendre des logements destinés à recevoir les aimants permanents. Les aimants permanents peuvent être insérés comme des pièces frittées solides afin d'améliorer les performances de la machine électrique.

De manière préférentielle, les aimants individuels sont tous identiques, de forme parallélépipédique et de mêmes dimensions. Avantageusement, la machine électrique constitue un moteur de traction d'un véhicule automobile à moteur de traction électrique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un graphique des impulsions de couple de crantage selon la figure 1, - la figure 3 est un graphique de la synchronisation des impulsions de couple de crantage selon la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe d'une partie d'une machine électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est un graphique des impulsions de couple de crantage selon la figure 4, - la figure 6 est un graphique de la synchronisation des impulsions de couple de crantage selon la figure 5, - la figure 7 est une vue en coupe d'une partie d'une machine électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une vue en coupe d'une partie d'une machine électrique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 9 est une vue en coupe d'une partie d'une machine électrique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention. Sur les figures 1, 4 et 7 à 9, on a représenté divers modes de réalisation d'une machine électrique selon l'invention. Dans l'application envisagée, cette machine constitue un moteur de traction d'un véhicule automobile à traction électrique. Telle qu'illustrée sur la figure 1, la machine électrique, référencée 1 dans son ensemble, comprend un stator bobiné 2 et un rotor 3 à aimants permanents monté à rotation dans le stator 2. Le stator bobiné 2 comprend une pluralité de dents 4, par exemple au nombre de quarante-huit, et d'enroulements (non représentés) disposés entre les dents 4. Lorsqu'un courant est fourni aux enroulements du stator 2, un flux magnétique est généré, de sorte qu'un couple comprenant une première composante due à l'interaction du courant et des aimants et une deuxième composante due à l'interaction du courant et de la structure réluctante est généré afin de faire tourner le rotor 3. Le rotor 3 comprend un noyau de rotor 3a constitué d'un matériau à haute perméabilité magnétique et un arbre de rotor 3b. Tel qu'illustré sur la figure 1, le noyau de rotor 3a comprend quatre paires de pôles Nord/Sud la comportant chacun plusieurs couches d'aimants permanents 5 agencés le long de la périphérie du noyau du rotor 3a et arrangées en forme de courbes approximées. Dans l'exemple illustré, chaque couche d'aimants 5 est constituée d'une succession d'aimants 6 individuels rectilignes, identiques, de forme parallélépipédique et de mêmes dimensions, dont les extrémités 5a font face aux dents 4 du stator 2. Tel qu'illustré, le rotor 3 comprend trois logements 7 dans lesquels sont disposés trois couches d'aimants 5 agencées chacune en arc de cercle. Les aimants 6 peuvent, par exemple, être insérés dans les logements 7 comme pièces solides frittées. Chaque couche d'aimants 5 est séparée de la couche d'aimants 5 adjacente par un angle a. La position des extrémités 8 de chaque couche d'aimants 5 est déterminée par une droite a; passant par le centre du rotor 3 et le centre de chaque dent 4 du stator 2, i étant le nombre d'extrémité 8 des couches d'aimants 5. Dans le mode de réalisation de la figure 1, on compte trois couches d'aimants 5 présentant chacune deux extrémités 8 de couches 5, c'est-à-dire que la variable i est comprise entre les nombres un et six. Dans l'exemple illustré, la première couche d'aimants 5a comprend quinze aimants individuels 6, la deuxième couche d'aimants 5b comprend neuf aimants individuels 6 et la troisième couche d'aimants 5c comprend trois aimants individuels 6. On notera que les couches d'aimants 5 pourraient être agencées en arc d'ellipse, en forme de parabole, hyperbole, ou en arc de sinusoïde. La disposition en courbe des couches d'aimants 5 a pour principal avantage de permettre une concentration optimale du champ magnétique. De plus, la segmentation des aimants 6 permet de réduire le coût de fabrication des aimants 6, et de couper le trajet aux courants de Foucault, et ainsi de réduire les pertes liées aux courants de Foucault. On pourrait envisager d'avoir un nombre différent de couche d'aimants 5. Plus on augmente le nombre de couche d'aimants 5 dans le noyau du rotor 3a, plus la forme de la force électromotrice est réglable de manière à avoir un champ magnétique le moins ondulé possible dans l'entrefer. Dans la structure illustrée à la figure 1 les champs magnétiques ont tendance à se reboucler aux extrémités 8 des couches d'aimants 5, qui sont donc fortement saturées. A chaque fois que les extrémités 8 des couches d'aimants 5 passent devant une dent 4 du stator 2, le champ magnétique fuit vers le stator 2 générant au passage une impulsion de couple de crantage C qui tend à aligner l'extrémité 8 des couches d'aimants 5 avec la dent 4 du stator 2 correspondante. Tel qu'illustré sur la figure 1, le nombre d'extrémités Ne de couches d'aimants 5 est identique au nombre N de dents 4 par pôle, de sorte que les impulsions de couple de crantage C sont synchronisées et s'additionnent et génèrent une ondulation de couple totale importante qui s'additionne au couple Cm produit par la machine électrique 1. La machine électrique 1 produit alors un couple fortement ondulé, générant des vibrations et des nuisances sonores dans la machine électrique 1. La figure 2 est un graphique représentant les impulsions de couple de crantage C lors du passage d'un pôle du rotor 3 devant la pluralité de dents 4 correspondantes, lors de la rotation du rotor 3 par rapport au stator 2. La figure 2 illustre uniquement trois courbes représentant les impulsions de couple lors du passage de trois extrémités 8 de couches d'aimants 5 en face de la dent 4 du stator 2 correspondante. On notera qu'il y a une courbe pour chaque extrémité 8 de couches d'aimants 5. En ordonnées, on trouve le couple de rotation C exprimé en N.m et en abscisses, on trouve le temps t exprimé en secondes. Au temps to, les extrémités 8 des couches d'aimants 5 se trouvent en face des dents 4 du stator 2, de sorte que le couple de crantage C est nul et le couple de sortie Cm de la machine électrique 1 n'est pas perturbé. Au temps t1, les extrémités 8 des couches d'aimants 5 s'approchent des dents 4 du stator 2 et s'attirent mutuellement, de sorte qu'une impulsion de couple de crantage C1 positive est générée et s'ajoute au couple de sortie Cm de la machine électrique 1. Au temps t2, les extrémités 8 des couches d'aimants 5 se trouvent en face des dents 4 du stator 2, de sorte que le couple de crantage C est nul et le couple de sortie Cm de la machine électrique 1 n'est pas perturbé. Au temps t3, les extrémités 8 des couches d'aimants 5 s'éloignent des dents 4 du stator 2, de sorte qu'une impulsion de couple de crantage C1 négative est générée et perturbe également le couple de sortie Cm de la machine électrique 1.

La figure 3 illustre la superposition des courbes de couple C de la figure 2 et représente une ondulation de couple totale élevée oscillant entre 3C1 et -3C1. En effet, le nombre Ne d'extrémités 8 des couches d'aimants 5 étant identique au nombre N de dents 4 par pôle, les impulsions de couples de crantage C1 se synchronisent et s'additionnent. La machine électrique 1 produit un couple de sortie Cm fortement ondulé. Les modes de réalisation des figures 4, 7 à 9, dans lequel les mêmes éléments ont les mêmes références que dans la figure 1, représente une partie d'une machine électrique 1, notamment un pôle la. Ces modes de réalisation permettent de réguler les ondulations de couple en désynchronisant les impulsions de couple de crantage C résultant du passage des extrémités 8 des couches d'aimants 5 en face des dents 4 du stator 2 lors de la rotation du rotor 3 par rapport au stator 2. La désynchronisation des impulsions de couple de crantage C est réalisée par un déphasage spatial des extrémités 8 des couches d'aimants 5 par rapport à la pluralité de dents 4 du stator 2.

La figure 4 représente une partie d'une machine électrique 1, notamment un pôle la de la machine électrique 1 Tel qu'illustré sur la figure 4, le nombre Na de couches d'aimants 5 du rotor 3, par exemple de quatre, est découplé du nombre N de dents 4 du stator 2, de sorte que le nombre Ne d'extrémités 8 de couches d'aimants 5, par exemple de huit, ne correspond pas au nombre N de dents 4 du stator, par exemple de six, afin de désynchroniser les impulsions de couple de crantage C générées lors du passage d'une extrémité 8 d'une couche d'aimants 5 devant une dent 4 du stator 2. Afin que les impulsions de couple de crantage C ne soient pas synchronisées, le nombre Na de couches d'aimants 5 est fonction de la moitié du nombre N de dents 4 plus une couche d'aimants 5, selon l'équation suivante : Na = 2 +l (1) Ainsi, pour la machine électrique 1 illustrée à la figure 4, le stator 2 comprend quarante-huit dents 4, soit six dents 4 par pôle la, et le rotor comprend quatre paires de pôles. C'est-à-dire que le nombre Na de couche d'aimants 5 nécessaire pour réduire significativement les ondulations de couple de crantage C est selon l'équation (1) de : Na 6 = +1= 4 couche d'aimants. 2 Tel qu'illustré sur la figure 4, le rotor 3 comprend quatre logements 7 dans lesquels sont disposés quatre couches d'aimants 5 agencées chacune en arc de cercle. La première couche d'aimants 5a comprend sept aimants individuel 6, la deuxième couche d'aimants 5b comprend cinq aimants individuels 6, la troisième couche d'aimants 5c comprend trois aimants individuels 6, et la quatrième couche d'aimants 5d comprend un aimant individuel 6.

La figure 5 est un graphique représentant les impulsions de couple de crantage C lors du passage d'un pôle la du rotor 3 devant la pluralité de dents 4 correspondantes pour la machine électrique 1 de la figure 4. La figure 4 illustre uniquement trois courbes sur un même graphique, représentant chacune les impulsions de couple de crantage C lors du passage d'une extrémité 8 de couches d'aimants 5 en face de la dent 4 du stator 2 correspondante. On notera qu'il y a une courbe pour chaque extrémité 8 de couches d'aimants 5. En ordonnées, on trouve le couple de rotation C exprimé en N.m et en abscisses, on trouve le temps t exprimé en secondes.

Les impulsions de couple de crantage C, générées de la même manière que sur la figure 2, ne sont pas générées en même temps du fait du déphasage des extrémités 8 des couches d'aimants 5 par rapport aux dents 4 du stator 2, contrairement à la figure 2. Ainsi, lors de la superposition des courbes de couple C de la figure 5, l'ondulation de couple totale représentée à la figure 6 oscille entre C2 et -C2, et est nettement réduite par rapport à l'ondulation de couple totale représentée à la figure 3. En effet, le nombre Ne d'extrémités 8 des couches d'aimants 5 étant découplé du nombre N de dents 4 du stator 2 par pôle, les ondulations de couple ne se synchronisent pas. La machine électrique 1 produit un couple de sortie Cm très faiblement ondulé. Ce mode de réalisation permet de réduire fortement les perturbations du couple Cm produit par la machine électrique 1. Toutefois, rajouter des couches d'aimants 5 conduit à réaliser des aimants 6 de petites tailles, fragiles et coûteux. Le mode de réalisation des figures 7 à 9 propose une machine électrique 1 permettant à la fois de réguler les impulsions de couple de crantage C, sans rajouter de couches d'aimants 5, en décalant les couches d'aimants 5 par rapport à une position optimale a; illustrée à la figure 1. Tel qu'illustré sur les figures 7 à 9, le nombre Na de couches d'aimants 5 est couplé au nombre N de dents 4 du stator 2, mais les couches d'aimants 5 sont décalées par rapport à un alignement régulier illustré à la figure 1. On obtient ainsi une désynchronisation des impulsions de couple de crantage C tout en maintenant un nombre d'aimants 6 satisfaisant. Tel qu'illustré sur les figures 7 à 9, le rotor 3 comprend trois logements 7 dans lesquels sont disposés trois couches d'aimants 5 agencées chacune en arc de cercle. La première couche d'aimants 5a comprend quatorze aimants individuel 6, la deuxième couche d'aimants 5b comprend neuf aimants individuels 6, et la troisième couche d'aimants 5c comprend trois aimants individuels 6. Selon la figure 7, chaque couche d'aimants 5 est décalée d'un angle de décalage (3; par rapport à la position optimale a; illustrée à la figure 1. i correspondant au nombre Ne d'extrémités 8 des couches d'aimants 5. L'angle de décalage (3; est fourni par l'équation suivante : Pi = (n -1)x- Q (2) Avec : n, un nombre entier défini aléatoirement entre zéro et Na. Tel qu'illustré sur la figure 7, le nombre Na de couches d'aimants 5 est égal à trois, les angles de décalage (3; des première, deuxième et troisième couches d'aimants, respectivement R1, 132, 133 sont, à titre d'exemple non limitatif, égaux à : Ri=3-, dans ce cas n = 2; (32 = 0, dans ce cas n = 1 ; (33=2x3-, dans ce cas n = 3 Théoriquement, les impulsions de couple de crantage C sont réparties uniformément et doivent s'annuler parfaitement. Afin de contrer une éventuelle ondulation de couple résiduelle, on introduit un facteur de modulation K sur le nombre n aléatoire, afin d'obtenir l'équation suivante : Na Dans le cas illustré à la figure 7, les deux extrémités 8 de chaque couche d'aimants 5 sont décalées d'un même angle de décalage R,, tel que Ri=(36 ; (3z=(35 ; (33=(34. On peut envisager de décaler les deux extrémités 8 de chaque couche d'aimants 5 d'un angle de décalage (3; différent, tel qu'illustré à la figure 8. Dans ce cas, l'angle de décalage (3; est fonction du nombre Ne d'extrémités 8 de couches d'aimants 5, correspondant au double de nombre Na de couches d'aimants 5 : (3i=Kx(n-1)x-Na=Kx(n-1)xN (4) - L'angle de décalage (3; des couches d'aimants 5 défini suivant les équations 2 à 4 peut également s'appliquer aux machines à réluctance synchrone sinusoïdale, tel qu'illustré à la figure 9. Dans ce cas, les couches d'aimants 5 ne sont pas uniformément décalées de l'angle de décalage R,, mais seules les extrémités 8 des couches d'aimants 5 sont décalées de l'angle de décalage (3; calculé précédemment.

Grâce à l'invention qui vient d'être décrite, il est possible de réguler les ondulations de couple venant perturber le couple de sortie de la machine électrique, tout en permettant de régler la forme du champ magnétique dans l'entrefer, grâce au déphasage des extrémités des couches d'aimants par rapport aux dents du stator, afin de désynchroniser les impulsions de couple de crantage. De plus, la répartition d'aimants segmentés formant une courbe permet d'obtenir une concentration de champ magnétique optimale tout en réduisant les coûts de fabrication de la machine électrique. 13i=Kx(n-1)x a (3)

Claims

REVENDICATIONS1.Machine électrique à réluctance synchrone (1) comportant un stator bobiné (2) comportant une pluralité de dents (4), et un rotor (3) à aimants permanents dans lequel des aimants permanents (6) sont arrangés en plusieurs couches (5) en forme de courbes approximées constituées d'une succession d'aimants individuels rectilignes (6), caractérisé en ce que l'arrangement desdites couches (5) est décalé par rapport à la succession des dents (4) du stator (2) de façon à désynchroniser les impulsions de couple de crantage (C) résultant du passage des aimants (6) en face des dents (4) du stator (2) lors de la rotation du rotor (3) par rapport au stator (2).
2.Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle un premier nombre (Na) de couches d'aimants (5) est découplé d'un deuxième nombre (N) de dents (4) du stator (2), de manière à réguler les ondulations de couple.
3. Machine électrique selon la revendication 2, dans laquelle le premier nombre (Na) est fonction de la moitié du deuxième nombre (N).
4.Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle un premier nombre (Na) de couches d'aimants (5) est couplé à un deuxième nombre (N) de dents du stator (2).
5.Machine électrique selon la revendication 4, dans laquelle les couches d'aimants (5) sont décalées d'un angle de décalage ((3;) fonction de l'angle nominal (a) entre deux extrémités (8) de couches (5) successives, du premier nombre (Na) de couches d'aimants (5), et d'un multiple aléatoire (n) compris entre zéro et le premier nombre (Na) moins une unité.
6.Machine électrique selon la revendication 5, dans laquelle les deux extrémités (8) d'une couche d'aimants (5) sont décalées d'un angle de décalage ((3;) différent.
7.Machine électrique selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle l'angle de décalage ((3;) est fonction d'un troisième nombre (Ne) d'extrémités (8) des couches d'aimants (5).
8.Machine électrique selon la revendication 5, dans laquelle les extrémités (8) de chaque couche d'aimants (5) sont décalées de l'angle de décalage ((3;).
9.Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rotor (3) comprend des logements (7) destinés à recevoir les aimants permanents (6).
10. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les aimants individuels (6) sont tous identiques, de forme parallélépipédique et de mêmes dimensions.
11. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue un moteur de traction d'un véhicule automobile à moteur de traction électrique.